高科技幫助殘疾人

王安逸

古希臘庇護(hù)所入口的斜坡可能是為了方便行動(dòng)不便的人（復(fù)原圖）。

距今2300多年前，古希臘的建筑設(shè)計(jì)師已經(jīng)在考慮為殘疾人士提供方便——在希臘城市埃皮達(dá)魯斯的阿斯克勒庇俄斯神廟遺址，科學(xué)家在一座庇護(hù)所入口處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)坡度很小的坡道。對(duì)這個(gè)坡道最合理的一種解釋是，它是為了方便行動(dòng)不便的人進(jìn)入庇護(hù)所接受治療而修建的。今天，科技的進(jìn)步會(huì)給殘障人士提供更大的幫助。

架“橋”，為再次行走

2011年的一天，熱愛(ài)山地速降運(yùn)動(dòng)的美國(guó)人馬奎斯騎著山地自行車(chē)飛快沖下一座山坡。突然，一個(gè)失誤導(dǎo)致他被甩到半空，最終重重摔在地上。從劇痛中緩過(guò)勁兒來(lái)的他發(fā)現(xiàn)自己的雙腿沒(méi)了知覺(jué)。被送到醫(yī)院后，他從醫(yī)生那里得知自己的脊髓嚴(yán)重受損，再也無(wú)法行走。

不過(guò)，絕望伴隨著希望。在康復(fù)治療期間，馬奎斯打聽(tīng)到某醫(yī)院將要進(jìn)行一項(xiàng)幫助癱瘓患者重新行走的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的申請(qǐng)和溝通，他被那家醫(yī)院選中而成為首批受試者。

如果說(shuō)大腦是下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令的“中央處理器”，那么脊髓就是傳遞運(yùn)動(dòng)信號(hào)的“導(dǎo)線”，而包裹脊髓的脊椎就是起保護(hù)作用的“硬殼”。脊髓一旦受損，患者大腦發(fā)出的信號(hào)就無(wú)法被腿部肌肉接收到，這就是癱瘓患者無(wú)法行走的原因。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的手術(shù)當(dāng)天，醫(yī)生在馬奎斯脊髓受損部位下方植入了一個(gè)網(wǎng)狀電極陣列，并在其附近的腹腔位置植入了一個(gè)電池盒。網(wǎng)狀電極陣列并不能修復(fù)脊髓的損傷，而是繞過(guò)受損脊髓，將大腦發(fā)出的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)脈沖傳遞給下半部分未受損的脊髓，這就相當(dāng)于為神經(jīng)信號(hào)搭了一座橋。借助這座“橋”，神經(jīng)信號(hào)可以再次抵達(dá)腿部肌肉群，接受植入的癱瘓患者也就能再次控制腿部肌肉。

接下來(lái)，馬奎斯按照醫(yī)生的指導(dǎo)，有條不紊地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，并定期接受運(yùn)動(dòng)能力評(píng)估。手術(shù)五年后的一天，他雙手扶著一臺(tái)特制“跑步機(jī)”的扶手，獨(dú)自完成了自癱瘓以來(lái)的第一次長(zhǎng)距離行走，總步行里程達(dá)102米?，F(xiàn)在，他每次能獨(dú)自步行最長(zhǎng)400米，只需用雙拐幫助自己保持平衡。

借助網(wǎng)狀電極陣列，患者大腦的神經(jīng)信號(hào)可以再次傳遞到肌肉。

“竊聽(tīng)”腦電波

德國(guó)人阿爾達(dá)納16歲時(shí)在一場(chǎng)車(chē)禍中損傷了頸部，這導(dǎo)致他在接下來(lái)的幾年里只能動(dòng)脖子和雙臂，手指無(wú)法做任何動(dòng)作。

所幸阿爾達(dá)納在21歲時(shí)參與了一項(xiàng)康復(fù)計(jì)劃，植入他大腦的電極可以控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。電極被植入他的大腦組織表面，以將大腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)出的脈沖信號(hào)放大。運(yùn)動(dòng)信號(hào)被戴在頭上的貼片獲取后輸入計(jì)算機(jī)。經(jīng)過(guò)大量訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)就能識(shí)別出其中關(guān)于手指動(dòng)作的特定信號(hào)模式，并控制阿爾達(dá)納前臂安裝的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。從產(chǎn)生手指運(yùn)動(dòng)的念頭到機(jī)械手發(fā)出動(dòng)作需要0.4秒，而健康人完成這個(gè)過(guò)程只需耗時(shí)0.06～0.12秒。手術(shù)一年后，阿爾達(dá)納已經(jīng)可以完成抓握、寫(xiě)字和進(jìn)食等簡(jiǎn)單動(dòng)作。

阿爾達(dá)納所安裝的機(jī)械手所采用的是腦機(jī)接口原理，也就是在人腦和外置設(shè)備之間建立連接。大腦神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微弱的生物電，即腦電波。如何捕捉腦電波是腦機(jī)接口設(shè)備開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)，目前主要有三種方法：從顱外測(cè)量腦電波;在顱骨下方植入電極;在大腦組織內(nèi)部植入電極。這三種方法捕捉到的信號(hào)的準(zhǔn)確度依次遞增。第一種方法就像是隔著一條馬路聽(tīng)對(duì)面音樂(lè)廳中的管弦樂(lè)演奏。你也許能聽(tīng)到一些斷斷續(xù)續(xù)的音樂(lè)聲，但無(wú)法識(shí)別具體的旋律。這是因?yàn)槟X電波在穿過(guò)顱骨后電壓已經(jīng)衰弱到十萬(wàn)分之一伏特，很難測(cè)量。第二種方法是從顱骨下方捕捉腦電波，這就像站在演奏廳外的售票廳聽(tīng)演奏。你能聽(tīng)到大概的旋律，卻無(wú)法分辨具體的樂(lè)器。第三種方法就像是坐在演奏者所處的舞臺(tái)上。無(wú)論什么樂(lè)器演奏出了怎樣的旋律，你都聽(tīng)得一清二楚。

腦機(jī)接口設(shè)備讀取大腦的運(yùn)動(dòng)指令，并傳遞給機(jī)械手。

探測(cè)腦電波的三種途徑。

重建手觸覺(jué)

手的觸覺(jué)能提供重要的反饋信息，大腦會(huì)根據(jù)這些信息調(diào)整手的動(dòng)作和力道。如果缺少了手觸覺(jué)，那么就像做蛋炒飯這么簡(jiǎn)單的事都會(huì)變?yōu)橐粓?chǎng)“廚房災(zāi)難”：手勁太大的話，拿蛋時(shí)容易將蛋捏碎;手勁太小的話，蛋炒飯中顛勺時(shí)鍋容易脫手。

2010年的一場(chǎng)車(chē)禍讓美國(guó)人伊恩的頸部脊髓嚴(yán)重受損。醫(yī)生告訴他，以后他只有肩部和上臂保留了部分運(yùn)動(dòng)能力和知覺(jué)，手指能活動(dòng)的希望十分渺茫。不過(guò)，機(jī)緣巧合下，伊恩獲得了一次參與輔助康復(fù)試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。和阿爾達(dá)納一樣，伊恩的大腦也被植入了腦機(jī)接口設(shè)備。借助計(jì)算機(jī)分析，他佩戴的機(jī)械手能做出他想做的動(dòng)作。不過(guò)，伊恩背后的科學(xué)團(tuán)隊(duì)還想幫他重建手的觸覺(jué)。

有了觸覺(jué)，伊恩可以完成一些簡(jiǎn)單動(dòng)作。

手部觸覺(jué)重建原理示意圖。

今天，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即便是被臨床確診為“脊髓完全性損傷”的患者，其大腦和身體的神經(jīng)通路依然藕斷絲連。科學(xué)家從伊恩大腦中的腦機(jī)接口設(shè)備中成功讀取了他的大腦運(yùn)動(dòng)皮層的感覺(jué)反饋信號(hào)，這表明他手上的觸覺(jué)信號(hào)能夠通過(guò)僅存的脊髓傳遞到大腦，只不過(guò)這些信號(hào)過(guò)于微弱，無(wú)法引起大腦的反應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)后，科學(xué)家提出了一個(gè)幫助伊恩重建部分觸覺(jué)的方案：首先，當(dāng)伊恩的手摸到某個(gè)物體時(shí)，腦機(jī)接口設(shè)備讀取觸覺(jué)反饋信號(hào);然后，這些信號(hào)被傳送到一個(gè)安裝在他肱二頭肌的震動(dòng)馬達(dá);接下來(lái)，震動(dòng)馬達(dá)會(huì)根據(jù)這些反饋信號(hào)的強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的震動(dòng)。雖然伊恩喪失了手部觸覺(jué)，但這個(gè)方案使他手部的觸覺(jué)轉(zhuǎn)移到了他還有皮膚觸覺(jué)的大臂。在這套觸覺(jué)重建設(shè)備的幫助下，伊恩成功抓取了許多不同質(zhì)地的物體。

然而，目前伊恩還不能把這套設(shè)備帶回家使用，因?yàn)檎自O(shè)備的運(yùn)算要由一部臺(tái)式計(jì)算機(jī)完成。并且，伊恩在每次重新使用設(shè)備前都要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)備校準(zhǔn)?？茖W(xué)家的下一步工作，是讓這套設(shè)備更加便攜、更易使用。

在盲人大腦里“畫(huà)畫(huà)”？

伴隨著醫(yī)療設(shè)備的嗡嗡聲，一名盲人將手懸在他面前的觸摸屏上。突然間，他的腦海中閃現(xiàn)出英語(yǔ)字母“M”的圖像，于是他在觸摸屏上畫(huà)出了這個(gè)從他腦海中跳出的字母。

這看似不可能的一幕其實(shí)是科學(xué)家進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，用特定模式的輕微電流刺激大腦的視覺(jué)皮層，就可以在失明者的大腦中構(gòu)建圖像，就好像我們用肉眼看到的一樣。視覺(jué)皮層是大腦中對(duì)視覺(jué)信息做出反應(yīng)的中樞神經(jīng)之一，這個(gè)區(qū)域包括一個(gè)“視野空間地圖”。這意味著特定的細(xì)胞組會(huì)對(duì)來(lái)自我們視線中特定位置的視覺(jué)信息做出反應(yīng)：打開(kāi)位于你視野左側(cè)的一盞燈，視覺(jué)中樞的一組細(xì)胞會(huì)迅速做出反應(yīng)（快速發(fā)送電信號(hào)）;而打開(kāi)位于你視野右側(cè)的一盞燈，視覺(jué)中樞的另一組細(xì)胞會(huì)做出反應(yīng)。

在這個(gè)機(jī)制上，科學(xué)家決定反其道而行之。他們?cè)谑髡叩囊曈X(jué)皮層中植入一個(gè)小型電子設(shè)備，設(shè)備通過(guò)許多觸點(diǎn)與視覺(jué)皮層結(jié)合。當(dāng)其中一個(gè)觸點(diǎn)被激活時(shí)，患者就會(huì)在其視野的某個(gè)位置“看到”一個(gè)光斑。通過(guò)精細(xì)調(diào)控每次激活的觸點(diǎn)和被激活的視覺(jué)皮層區(qū)域，科學(xué)家能讓盲人受試者“看到”特定的圖形。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，2020年初，90%的盲人受試者能夠在一分鐘的時(shí)間里準(zhǔn)確辨別85個(gè)形狀。

今天，全世界超過(guò)10億人有不同程度的殘障或失能，其中許多人需要借助輪椅、假肢或助聽(tīng)器等輔助設(shè)備生活。預(yù)計(jì)到2050年，這個(gè)數(shù)字將達(dá)到20億。為了讓他們過(guò)上正常人的生活。公共設(shè)施的無(wú)障礙化設(shè)計(jì)和心理疏導(dǎo)尤為重要，但科學(xué)技術(shù)對(duì)康復(fù)手段的支撐還需要更大的突破。為了這一天的到來(lái)，無(wú)數(shù)人正在努力著。

盲人受試者在觸摸屏上畫(huà)出他們腦海中浮現(xiàn)的字母。

幫助癱瘓者站起來(lái)的外骨骼

全世界每年新增25萬(wàn)～50萬(wàn)不同程度的脊髓受損患者，中國(guó)約有500萬(wàn)脊髓受損患者。脊髓一旦受損，患者能再次行走的希望就會(huì)十分渺茫。不過(guò)，癱瘓患者可以通過(guò)佩戴機(jī)械外骨骼來(lái)恢復(fù)一定的運(yùn)動(dòng)能力。

雖然每種機(jī)械外骨骼的工作方式不盡相同，但主要原理都是采用電機(jī)、連桿和支架替代佩戴者的腿部肌肉，讓佩戴者的腿骨和趾骨產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而完成行走甚至攀爬樓梯等動(dòng)作。機(jī)械外骨骼中的水平儀會(huì)隨時(shí)檢測(cè)佩戴者輕微的重心改變，從而控制機(jī)械外骨骼做出相應(yīng)的動(dòng)作調(diào)整。重復(fù)這樣的變換重心動(dòng)作，就能讓佩戴者以接近自然步態(tài)的動(dòng)作步行。